Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/3/10

← Предыдущая глава	Глава 3.10	Следующая глава →
Регуляция работы гена: лактозный оперон

Строение лактозного оперона

Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят гены, кодирующие совместно или последовательно работающие белки и часто объединенные под одним промотором.

Концепцию оперона для прокариот предложили в 1961 году французские ученые Франсуа Жакоб, Жан Моно и Андре Львов, за что получили Нобелевскую премию в 1965 году.

Характерным примером оперонной организации генома прокариот является лактозный оперон. Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозы у кишечной палочки (Escherichia coli) была впервые описана в 1961 году учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно.

Лактозный оперон (lac оперон) — полицистронный оперон бактерий, в состав которого входят гены, отвечающие за усвоение и расщепление лактозы.

Лактозный оперон состоит из промотора, оператора, трех структурных генов и терминатора. Иногда принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор.

Промотор — последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой как стартовая площадка для начала специфической, или осмысленной, транскрипции. У прокариот все промоторы включают ряд похожих последовательностей нуклеотидов, важных для узнавания их РНК-полимеразой; в то же время разные промоторы отличаются друг от друга по другим последовательностям. Промотор асимметричен, что позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию в правильном направлении и указывает то, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза РНК. Промотор может частично перекрываться или вовсе не перекрываться с оператором.

Оператор — это последовательность нуклеотидов ДНК, с которой связывается регуляторный белок — репрессор или активатор.

Структурные гены — это гены, кодирующие белки.

Структурные гены лактозного оперона — lacZ, lacY и lacA:

lacZ кодирует фермент β-галактозидазу, которая расщепляет дисахарид лактозу на глюкозу и галактозу,
lacY кодирует β-галактозид пермеазу, мембранный транспортный белок, который переносит лактозу внутрь клетки.
lacA кодирует β-галактозид трансацетилазу, фермент, переносящий ацетилную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.

Для усвоения лактозы необходимы только продукты генов lacZ и lacY, роль продукта гена lacA не ясна.

При транскрипции с лактозного оперона считывается одна полицистронная мРНК, в которой закодированы все три белка. С неё сразу же начинают считываться эти белки, причем рибосомы «перескакивают» стоп-кодоны, разделяющие нуклеотидные последовательности, кодирующие каждый из белков. (Для прокариот полицистронные РНК обычны, у эукариот они практически не встречаются).

lac operon in detail

Регуляция работы лактозного оперона

Бактериальная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы.

РНК-полимераза начинает транскрипцию с промотора, который в случае лактозного оперона перекрывается с оператором. В отсутствие или при низкой концентрации лактозы в клетке белок-репрессор, который является продуктом гена LacI, обратимо соединяется с оператором и препятствует транскрипции. Таким образом, в отсутствие лактозы в клетке ферменты для метаболизма лактозы не синтезируются.

Даже в случае, когда в плазматической мембране клетки отсутствует фермент β-галактозидпермеаза, лактоза из окружающей среды может попадать в клетку в небольших количествах. В клетке две молекулы лактозы связываются с белком-репрессором, что приводит к изменению его конформации и далее к отделению белка-репрессора от оператора. Теперь может осуществляться транскрипция генов лактозного оперона. При снижении концентрации лактозы новые порции белка-репрессора взаимодействуют с операторными последовательностями и препятствуют транскрипции. Данный механизм регуляции активности лактозного оперона называют позитивной индукцией. Веществом-индуктором служит лактоза; при её связывании с белков-репрессором происходит его отделение от оператора.

Если в клетке концентрация глюкозы достаточная для поддержания обмена веществ, активация лактозного оперона не происходит. Промотор лактозного оперона «слабый» — даже при отсутствии белка-репрессора на операторе транскрипция практически не инициируется без дополнительных условий. Когда концентрация глюкозы в клетке снижается, происходит активация фермента аденилатциклазы, которая катализирует превращение АТФ в циклическую форму — цАМФ (цАМФ в данном случае также называют «сигналом клеточного голода»). Глюкоза — ингибитор фермента аденилатциклазы; кроме того, она активирует фосфодиэстеразу — фермент, катализирующий расщепление цАМФ.

цАМФ соединяется с белком, активирующим катаболизм (англ. САР, catabolism activating protein). Образуется комплекс цАМФ-CAP, который взаимодействует с промотором лактозного оперона, изменяет его конформацию и приводит к повышению сродства РНК-полимеразы к данному участку. В присутствии лактозы и при высокой концентрации цАМФ (то есть в отсутствии глюкозы) происходит активная транскрипция генов оперона, активно синтезируются ферменты для усвоения лактозы. Механизм регуляции активности лактозного оперона глюкозой называют негативной индукцией — глюкоза служит «негативным индуктором», то есть веществом, в присутствии которого лактозный оперон «выключен».

Итак, ферменты для усвоения лактозы синтезируются в клетке кишечной палочки при двух условиях: 1) наличие лактозы; 2) отсутствие глюкозы.

Вопрос 1

Мутации каких участков в ДНК кишечной палочки могут привести к появлению бактерий:

Не способных усваивать лактозу?
Синтезирующих ферменты для усвоения лактозы даже в её отсутствие?
Способных усваивать лактозу при высокой концентрации глюкозы?

Для простоты будем считать. что любая мутация приводит к «поломке» (выходу из строя) гена или иного участка ДНК.

Биологический смысл

Благодаря описанному механизму регуляции транскрипции генов, входящих в состав лактозного оперона, бактерии оптимизируют энергетические затраты, синтезируя ферменты метаболизма лактозы не постоянно, а лишь тогда, когда клетке это необходимо. Сходный механизм регуляции имеется у большинства прокариот; у эукариот он устроен значительно сложнее.

Регуляция работы лактозного оперона в зависимости от концентрации лактозы происходит по принципу отрицательной обратной связи: чем больше лактозы — тем больше ферментов для её усвоения (положительная прямая связь); чем больше ферментов — тем меньше лактозы, чем меньше лактозы — тем меньше производится ферментов (двойная отрицательная обратная связь).

[1] Анимация «Регуляция работы лактозного оперона» (англ. текст)